Průřezy vysokonapěťových vodičů pro vnější ochranu před bleskem

Jedním z hlavních komponentů této ochrany jsou jímače, svody a zemniče. Konvenční systémy jsou často tvořeny metalickými pevnými nebo slaněnými vodiči. Důležitou úlohu pro dodržení bezpečnostních kritérií sehrává jejich vzájemná poloha vůči ostatním metalickým prvkům chráněného objektu definovaná tzv. dostatečnou vzdáleností. Přiblížení ochranných systémů pod hodnotu dostatečné vzdálenosti může vést k nepředvídatelným přeskokům na metalické části stavby. V případě nemožnosti dodržet dostatečnou vzdálenost existuje řešení v podobě vysokonapěťových vodičů.

Předmětem tohoto článku jsou ochranné systémy tvořené vysokonapěťovými vodiči, které slouží k bezpečnému odvádění bleskových výbojů do země, čímž minimalizují riziko požáru, výbuchu nebo poškození elektrických a elektronických zařízení. Správné dimenzování a materiálové složení těchto vodičů je zásadní pro zajištění jejich účinnosti a spolehlivosti.
V tomto kontextu je třeba podrobněji analyzovat, jaký vliv mají různé průřezy vysokonapěťových vodičů na jejich schopnost vést bleskový proud. Důležité je také upozornit, jak různé normy a předpisy ovlivňují volbu průřezů a jak moderní materiály a technologie přispívají ke zvýšení bezpečnosti a efektivity těchto ochranných systémů. V následujících kapitolách se budeme zabývat technickými požadavky, testovacími metodami a praktickými aspekty použití různých typů vysokonapěťových vodičů v systémech vnější ochrany před bleskem.
Účel použití vysokonapěťových vodičů při instalaci vnější ochrany před bleskem je především z důvodů:

• Odizolování bleskových proudů od vnitřních kovových instalací.
• Zabránění jiskření a rozdílů potenciálů mezi vnější a vnitřní instalací.
• Ochrana osob před nebezpečným dotykovým napětím.

V praxi se jedná především o instalace hromosvodu:

• Na stavbách s hořlavými krytinami a stavbách s hořlavými stěnami.
• Na plechových střechách.
• V prostředí s nebezpečím požáru.
• Půdních sádrokartonových nebo kovových vestavbách.
• V prostředí s nebezpečím výbuchu.

Inženýrské parametry bleskových proudů

Inženýrské parametry bleskových výbojů jsou technickými aproximacemi jinak složitých fyzikálních jevů, které definují vlastnosti blesku a jeho dopad na objekty a infrastrukturu. Tyto parametry jsou stěžejní pro navrhování ochranných systémů proti bleskům a pro posouzení rizik spojených s úderem blesku. Mezi hlavní inženýrské parametry bleskových proudů patří:

Vrcholová hodnota
Jedná se o maximální okamžitou hodnotu proudu blesku. Obvykle se pohybuje v rozmezí od desítek tisíc do několika stovek tisíc ampérů. Tento parametr je důležitý pro dimenzování ochranných zařízení, jako jsou jímače, svody a zemniče.

Časový průběh bleskového proudu
Popisuje, jak se proud blesku mění v čase. Bleskový proud má typicky tvar impulzu s velmi rychlým nárůstem (obvykle několik mikrosekund) a pomalejším poklesem. V inženýrské praxi se pro přímé účinky bleskového proudu používá vlna tvaru 10/350 µs, která je rozhodující pro vznik úbytku napětí na zemniči a pro dynamické účinky bleskového proudu. Nepřímé účinky se simulují vlnou tvaru 8/20 µs, která přenáší významně menší energii.
Na impulzní bleskový proud bezprostředně navazuje vlna tzv. dlouhého výboje, která je nebezpečná především z pohledu:

• Živých bytostí, které ohrožuje přímým působením na vnitřní orgány.
• Staveb, kde je často příčinou požáru.

Specifická energie W/R
Specifická energie je dána množstvím energie vztaženým na jednotku odporu, které je uvolněno během úderu blesku, vyjádřené v joulech na ohm (J/Ω). Způsobuje především oteplení vodičů a přechodových spojů.

Kde:
R stejnosměrný odpor vodiče

Strmost bleskového proudu
Strmost bleskového proudu je dána rychlostí nárůstu impulzního proudu v čase. Tato hodnota je základem pro výpočet dostatečné vzdálenosti mezi hromosvodem a první kovovou částí objektu, neboť se podílí na velikosti indukovaného napětí ve smyčce.

di/dt (10³ až 10⁹ A.s^–1)
U = M · di/dt

Kde:
M vzájemná indukčnost smyčky

Náboj bleskového proudu Q
Tento parametr je důležitý pro posouzení množství energie, kterou blesk přenáší. Náboj bleskového proudu Q je rozhodující v místě úderu blesku, kde vzniká energie daná anodově-katodovým úbytkem napětí u_a,c.

W = Q u_a,c

Kde:
u_a,c anodový nebo katodový úbytek napětí (předpokládaný jako konstantní)
Q náboj bleskového proudu

Kombinované účinky
Bleskové proudy způsobují škody nejen vlivem jednotlivých výše uvedených parametrů, nýbrž častěji v důsledků jejich kombinací. Jako praktický příklad mohou posloužit mechanické a tepelné účinky při průchodu bleskového proudu svorkou způsobené vlivem maximálního bleskového proudu imax o specifické energii W/R.

Příklad výpočtu oteplení vysokonapěťového vodiče podle ČSN EN 62305-1 ed. 2 o průřezu 16 mm2 pro hodnotu bleskového proudu 150 kA, vlny 10/350

Podle tabulky D.3 normy ČSN EN 62305-1 ed. 2, je pro průřez vodiče 16 mm² při průchodu bleskového proudu 150 kA, tzn. specifická energie W/R = 5,6 MJ/Ω, hodnota dovoleného oteplení 143 K.
Oteplení vodičů LPS se vypočte podle vzorce:

kde pro měď o průřezu 19 mm2 jsou přiřazeny tyto hodnoty:
ϴ° – ϴ₀ je oteplení vodičů (K);
α = 3,92x10^–3 1/K je teplotní součinitel odporu;
W/R =5,6x10⁶ J/Ω je specifická energie impulzu proudu;
ρ₀ =17,8x10^–9 Ωm je měrný ohmický odpor vodiče při teplotě okolí;
Q =19x10^–6 m² je plocha průřezu vodiče;
_γ = 8 920 kg/m³ je hustota materiálu;
C_W = 385 J/kgK je tepelná kapacita;
C_s =209x10³ J/kg je skupenské teplo tání;
ϴ_S = 1 080 °C je teplota tavení.

Z obrázku 3 je zcela zřejmé, že pro daný typ vysokonapěťového vodiče nedojde k překročení jeho dovoleného oteplení.

Připravovaný návrh nové normy ČSN EN 62305-3 ed. 3

V současné době probíhá v mezinárodní elektrotechnické komisi překlad nové edice ČSN EN 62305 ed. 3, která v sobě zahrnuje již technickou specifikaci IEC TC 62561-8.

• Čl. 5.5.4 Izolované součásti
  Izolační součásti, jako jsou izolační podpěry a izolované vodiče, musí splňovat požadavky normy IEC TS 62561-8.
• Doplnění tabulky 7 Materiál, tvary a minimální průřezy vodičů jímací soustavy, jímacích tyčí, uzemňovacích přívodů a svodů je doplněna o text: Pokud izolační vodič splňuje požadavky normy IEC TS 62561-8, lze průřez zmenšit na zkoušenou hodnotu.
• Čl. 6.3 Elektrická izolace vnějšího LPS
  Pro výpočet dostatečné vzdálenosti k_m. Další dodatečné informace naleznete v normě IEC TS 62561-8.
• Literatura
  IEC TS 62561-8, Součásti systémů ochrany před bleskem (LPSC) – Část 8: Požadavky na součásti pro izolovaný LPS

Technická specifikace IEC TS 62561-8 ed. 1

Technická specifikace IEC TS 62561-8 ed. 1, je předstupněm normy IEC 62561-8, potažmo normy ČSN EN 62561-8. Vyšla v lednu 2018 pouze v anglickém jazyce. Tento dokument specifikuje požadavky a zkoušky na:

• izolační podpěry používané ve spojení s jímacím systémem a svody, pro které je zapotřebí potvrdit dodržení dostatečné vzdálenosti,
• izolované vysokonapěťové vodiče, včetně jejich specifických spojovacích prvků, které mají být podrobeny
  zkouškám.

Testování izolačních distančních podpěr a izolačních vysokonapěťových vodičů pro prostředí s nebezpečím výbuchu není součástí této specifikace. Požadavky a zkoušky na jiné typy součástí pro izolovaný LPS jsou brány v potaz.
Pro izolační podpěry a vysokonapěťové vodiče jsou předepsány tyto typy zkoušek:

• odolnost vůči UV záření,
  
• odolnost vůči korozi,
  
• mechanické zkoušky,
  
• elektrické zkoušky (viz obr. 4).

Obecné požadavky na izolované vodiče
Izolovaný vodič musí:

• plnit funkci bezpečné izolace vodiče v případě úderu blesku s přihlédnutím k mechanickým a environmentálním vlivům,
• být navržen a konstruován tak, aby byla zajištěna bezpečná manipulace,
• být kombinovatelný s vhodnými prvky pro jeho připevnění k povrchu chráněné konstrukce bez poškození vodiče nebo izolace,
• být kompatibilní s materiálem povrchu, ke kterému je připevněn,
• splňovat požadavky na mechanické a elektrické zkoušky.

Zkoušení vysokonapěťových (VN) vodičů pro ochranu před bleskem je důležitou součástí zabezpečení elektrických a elektronických systémů před škodlivými účinky bleskových výbojů. Tento proces zahrnuje několik kroků a metod, které mají za cíl ověřit schopnost VN vodičů bezpečně odvést bleskový proud a chránit zařízení a struktury před poškozením.

Hlavní aspekty zkoušení VN vodičů pro ochranu před bleskem

1. Izolační schopnosti: Jednou z klíčových vlastností VN vodičů je jejich izolační schopnost. Zkoušky zahrnují aplikaci vysokého napětí na vodič, aby se zjistilo, zda izolace vydrží napěťové namáhání bez průrazu.
2. Proudová zatížitelnost: VN vodiče musí být schopné přenést velmi vysoké proudy, kterým jsou vystaveny při úderu blesku. Testy proudové zatižitelnosti ověřují, zda vodič dokáže bezpečně odvést tyto proudy bez fyzického poškození.
3. Mechanická pevnost: Bleskové proudy mohou způsobit výrazné mechanické namáhání vodičů. Testy mechanické pevnosti ověřují, zda vodiče a jejich upevňovací prvky dokážou odolat vzniklým silám.
4. Korozivzdornost: VN vodiče jsou často vystaveny povětrnostním vlivům, které mohou způsobit korozi. Testy korozivzdornosti zjišťují, zda materiál vodiče odolá dlouhodobému působení vlhkosti, slaného prostředí a dalších korozivních faktorů.
5. Teplotní odolnost: Bleskové proudy mohou způsobit výrazné zahřívání vodičů. Zkoušky teplotní odolnosti zahrnují testování vodičů při vysokých teplotách, aby se zajistilo, že nedojde k jejich poškození nebo degradaci.

Metody zkoušení

1. Impulzní napěťové zkoušky: Tato metoda simuluje skutečné bleskové výboje aplikací krátkých, vysokonapěťových impulzů na vodič. Cílem je zjistit, zda izolace a konstrukce vodiče vydrží tato extrémní namáhání.
2. Kontinuální proudové zkoušky: Tyto testy zahrnují aplikaci stabilního vysokého proudu procházejícího vodičem po určitou dobu tak, aby se ověřila jeho schopnost odvést velké proudy bez zvýšeného ohřevu nebo jiného termického poškození.
3. Zkoušky v prostředí: Vodiče jsou vystaveny simulovaným povětrnostním podmínkám, jako je vliv vlhkosti, slané mlhy a extrémních teplot, aby se ověřila jejich dlouhodobá odolnost vůči korozi a jiným vlivům.
4. Mechanické zkoušky: Testy mechanické pevnosti mohou zahrnovat tahové zkoušky, zkoušky únavy materiálu a další testy, které simulují fyzické namáhání při úderu blesku.

HVI vodiče, neboli High Voltage Insulated vodiče, jsou speciální typy vodičů určené pro použití v systémech ochrany před bleskem. Tyto vodiče mají několik klíčových vlastností, ke kterým patří: 

1. Vysoká izolační schopnost: HVI vodiče jsou navrženy tak, aby odolávaly vysokému napětí, což je kritické při odvádění bleskových proudů. Izolace zabraňuje průrazu elektrického proudu do okolních materiálů nebo zařízení.
2. Bezpečné odvádění bleskových proudů: Díky své konstrukci mohou HVI vodiče bezpečně odvádět extrémně vysoké proudy, které vznikají při úderu blesku. Tím chrání struktury a zařízení před poškozením.
3. Použití ve speciálních aplikacích: Jsou často používány v situacích, kde je nutná vysoká úroveň bezpečnosti a spolehlivosti, například u citlivých elektronických zařízení, v nemocnicích, průmyslových objektech a dalších kritických infrastrukturách.
4. Speciální konstrukce: HVI vodiče mají složitější konstrukci než běžné vodiče, zahrnující více vrstev izolačních materiálů a často i speciální povrchové úpravy, které zvyšují jejich odolnost vůči povětrnostním vlivům a mechanickému poškození.

Zkoušení vysokonapěťových izolovaných vodičů pro ochranu před bleskem je zásadní, protože ověřuje, zda tyto vodiče dokáží bezpečně odvést bleskové proudy a účinně chránit citlivá zařízení a struktury. Zjednodušený postup testování je naznačený na Obr. 4.

Velmi často se soudy zabývají otázkou dodržování technických norem a možností odchýlení se od těchto norem za specifických podmínek. Ne jinak je tomu i při použití HVI vodičů. Jako příklad uvádíme projednávaný případ možného použití alternativního řešení, které není explicitně uvedeno v normách, avšak splňuje minimální požadavky na bezpečnost a funkčnost stanovené zákonem.
Tento konkrétní případ se týká oteplení vysokonapěťových vodičů při průchodu bleskového proudu. Výrobce předložil atest a certifikát o provedených zkouškách, které dokládají, že řešení splňuje normové hodnoty. Nejvyšší správní soud ČR se k této otázce vyjádřil v rozsudku ze dne 28. května 2015, č. j. 1 As 162/2014 – 63, kde specifikoval podmínky, za kterých je možné odchýlit se od stanovených technických norem.

Výňatek z judikátu z rozsudku ze dne 28. 5. 2015, č. j. 1 As 162/2014 – 63

Konkrétně v bodě č. 42 odůvodnění rozsudku Nejvyšší správní soud ČR uvedl:
„Ustanovení § 3 písm. k) vyhlášky č. 268/2009 Sb. stanoví, že normovou hodnotou se rozumí „konkrétní technický požadavek, zejména limitní hodnota, návrhová metoda, národně stanovené parametry, technické vlastnosti stavebních konstrukcí a technických zařízení, obsažený v příslušné české technické normě, jehož dodržení se považuje za splnění požadavků konkrétního ustanovení této vyhlášky.“
Podle § 55 odst. 2 dané vyhlášky platí, že „[o]dchylky od norem jsou přípustné, pokud se prokáže, že navržené řešení odpovídá nejméně základním požadavkům na stavby uvedeným v § 8.“ Ve zmíněném § 8 této vyhlášky se pak uvádí: „(1) Stavba musí být navržena a provedena tak, aby byla při respektování hospodárnosti vhodná pro určené využití a aby současně splnila základní požadavky, kterými jsou: a) mechanická odolnost a stabilita, b) požární bezpečnost, c) ochrana zdraví osob a zvířat, zdravých životních podmínek a životního prostředí, d) ochrana proti hluku, e) bezpečnost při užívání, f) úspora energie a tepelná ochrana.“
Konkrétně v bodě č. 44 odůvodnění rozsudku Nejvyšší správní soud ČR uvedl:
„Stanovení určité normové hodnoty neznamená, že nemůže být zvoleno ještě lepší řešení. Aby někdo ale mohl zvolit lepší řešení, musí vědět, jaký je minimální povolený standard, kterého musí dosáhnout. Musí hlavně být dopředu jasné, jak postupovat, aby danou vyhlášku neporušil.“
To znamená, že jestli výrobce doloží atest a certifikát o provedených zkouškách, že splnil kritéria norem, může se od těchto norem odchýlit. V daném případě se jedná o oteplení vysokonapěťové vodiče, které při průchodu bleskového proudu nepřekročí hodnotu oteplení daného vysokonapěťového vodiče.

Shrnutí

Stávající hodnoty průřezu pro návrh svodů podle tabulky 7 normy ČSN EN 62305-3 ed. 2, jsou navrženy pro holé dráty z hlediska koroze a mechanické stability. Nejsou určeny pro dimenzování izolovaných vodičů. Pro ty platí technická specifikace IEC TS 62561-8, která je zatím dostupná jen v anglickém jazyce. Po vydání edice 3 souboru norem ČSN EN 62305-1 až 4 by měl být překlad zajištěn agenturou ČAS.
Každý výrobce, který se odchýlí od současných norem, by měl mít povinnost doložit atesty a certifikáty, že splnil požadavky norem.
V daném případě se jedná o kontrolu oteplení vodiče podle ČSN EN 62305-1 ed. 2.
V konečném důsledku přináší řešení pomocí izolovaného hromosvodu tyto výhody:

• Jednoduché řešení pro železobetonové budovy se skleněnými fasádami, plechovými střechami, či pro dřevostavby. Dále pak pro stavby s hořlavými střechami nebo hořlavými stěnami.
• Snadná rekonstrukce hromosvodu pro stávající technologické objekty.
• Je zajištěna disponibilita komunikací a technologických funkcí s ohledem na následné výpadky výroby v průběhu bouřkové činnosti.
• Izolace bleskových proudů do hodnoty 200 kA vůči vnitřním metalickým systémům.
• Nejbezpečnější řešení vnější ochrany před bleskem pro prostředí s nebezpečím výbuchu.
• Vysokonapěťové vodiče představují naopak vyšší technický standard než soubor českých technických norem ČSN EN 62305-1 až 4, ed. 2, protože navíc oproti tomuto souboru řeší také vysoká napětí až do hodnot 900 kV.